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革命性的CT带来CT的革命------Revolution CT

发布时间:2015-06-16作者:器械科-转载

QQ截图20150617183419.jpg


http://v.qq.com/page/b/4/q/b01537s434q.html


GE医疗MICT产品部 全球首席科学家 谢强 博士 精彩视频讲解

http://v.qq.com/page/z/h/c/z01546ehthc.html

It’s time for a Revolution

【第一章】宽的极致——16cm宽体宝石探测器


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沈云

GE中国CT影像研究中心首席科学家


具备16厘米宽体探测器的CT,通过一次旋转即可完成对单器官(例如心脏、颅脑、实质/空腔脏器)的成像,这会带来更多的临床收益:在一个心动周期内完成一站式心脏成像、单器官灌注、更快速的胸痛三联成像等,同时也可以回归CT扫描的本源——轴扫,获得更好的图像质量。从临床角度看,16厘米的宽体CT是CT发展的必然发展方向。


然而从物理学角度,16厘米的宽体探测器将对CT成像的图像质量带来一系列严峻的挑战:

1)散射线效应增加;

2)足跟效应及Z轴CT值的不一致性;

3)锥形束伪影。


这三大问题会导致在重建图像时出现伪影,显著影响CT的成像质量。如何从根本上解决这三个问题,将是宽体探测器成为后超高端CT必备硬件的关键。下面就看看Revolution CT是如何把宽的极致变成美学与物理工程杰作


1. 散射线问题

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64CT X 线锥形束夹角不超过4.2°,而16厘米探测器的夹角约为其4倍(图1),散射线效应大大增加,采用常规的一维后准直器”和相对简单的散射校正算法,无法解决宽体CT的散射线效应问题。为了解决这一问题,GE专门为Revolution CT研发了一款 “3D后准直器”——3D蜂巢准直器。相对于一维后准直器3D蜂巢准直器在XY轴方向上加了一组滤线栅,用来阻挡Z轴方向的散射线(图2)。除此之外,3D蜂巢准直器还具备X线三维精确制导功能,保证X线能够垂直进入每个探测器单元(图3)。在与一维后准直器比较时,3D蜂巢准直器能够实现在等中心点处的散射率SPR降低50%以上,实现更好的图像质量。
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2. 足跟效应

足跟效应(Heel Effect)是指远离球管阴极端出射的X线,相较于近球管阴极端出射的X线的逃逸距离长,X线硬化更明显,平均能量也更高。足跟效应在64排CT上不显著,但随着16厘米宽体探测器的X线锥角增加,足跟效应显著增加,并引起X线频谱发生较大的变化,导致整个Z轴覆盖范围的CT值发生显著偏移。专为Revolution CT开发的高清容积重建(VHD:Volume High Definition)技术(图4),建立在X射线基本属性的基础上,并借鉴了宝石CT能谱成像的物理和临床经验,通过使用一个源于复杂校准和物理建模的X线能谱模型去除X射线的硬化,并通过迭代技术进行反复校正,直到获得最终的高清CT 图像。

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3. 锥形束伪影

为了根本解决困扰宽体CT的锥形束问题,Revolution CT从硬件和重建两方面入手。首先16厘米探测器采用了等焦点设计(focus aligned),使每一个探测器单元都和入射的X线垂直,这从硬件设计的角度在最大程度地解决锥形束现象。从重建算法角度看,锥形束重建面临着一系列的技术挑战,这些技术挑战包括(图5):

1)Z轴信号盲区;

2)频域空间信号缺失;

3)心脏扫描重叠信号不当处理。


针对这些挑战,Revolution CT的研发团队开发了以VHD重建技术作为核心的全新数据后处理流程,不仅消除了在宽体探测器边缘图像中容易产生的锥形束伪影,并且还满足在高机架转速条件下和灌注等定量研究中进行精准成像的要求。

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极致技术带来的令人振奋的结果

通过全新设计的16厘米宝石宽体探测器、3D蜂巢准直器和Volume HD宽体重建算法,Revolution CT 可以使用轴扫进行大范围扫描,不仅降低了剂量,而且达到了高清的图像质量。


Revolution CT不仅引领了CT领域的一场革命,更是在临床上掀起了全新应用的一场革命。


这就是Revolution CT带来的宽的极致!

It's time for a Revolution

【第二章】快的极致

任意心率(律)的 1-beat 1-stop 心脏成像


CT的快是为了冻结始终跳动着的心脏。Revolution CT做到了快的极致,在任意心率和心律条件下,都可以在一个心动周期内完成心脏成像,尤其可以实现1-beat 1-stop 心脏解剖和功能成像[1]


Revolution CT之所以可以做到快的极致,是因为Revolution CT具备高的三维时间分辨率。那么什么是三维时间分辨率呢?


传统意义上的时间分辨率是二维时间分辨率(又名X/Y轴时间分辨率)。但是,心脏的运动是三维的,不仅X/Y轴有运动,Z轴也有运动[2]。因此要真正冻结心脏,要求CT 在X/Y/Z三个维度上的时间分辨率都很高。


Revolution CT 的三维时间分辨率的参数是:X/Y 轴时间分辨率是29ms,Z轴时间分辨率是0ms(达到所有层面的同时、同相位)。


Revolution CT 的三大硬件保证了如此高的三维时间分辨率1

  • 16厘米宽的宝石探测器,实现0ms Z轴时间分辨率

  • 0.28s的转速和SSF技术,实现29ms X/Y轴时间分辨率

  • 智能心电门控Auto-gating,保证在任意心率(律)的1-beat采样。


一、实现0msZ轴时间分辨率,达到所有层面的同时、同相位


要实现0ms的Z轴时间分辨率,要求Revolution CT的探测器在Z轴方向可以覆盖所有大小的心脏。Revolution CT具备的16厘米宽的宝石探测器3可以在Z 轴方向覆盖几乎所有大小的心脏,因此Revolution CT 的Z轴时间分辨率是0ms。

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二、实现29ms X/Y轴时间分辨率


为了实现29msX/Y轴时间分辨率,GE的工程师团队专门研发了Whisper Drive(静音高速驱动系统)4,实现0.28s/rot高速旋转,并配备SSF技术,实现了29ms单扇区 XY轴时间分辨率。


  • 电磁直接驱动 Direct Drive

    Revolution CT的驱动方法采用了电磁直接驱动(如图1),利用电流切割磁力线产生的驱动力推动整个机架以0.28s/rot的速度进行高速旋转。

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  • 一体化成型机架,可以承受大于70G的重力加速度

    机架转速的提高必然导致离心力的增加。Revolution CT0.28s/rot的高速旋转时,所产生的机架离心力超过70G的重力加速度,这对于机架的安全性带来了巨大的挑战。按照传统思路,需要通过增加结构的宽度和厚度,来提高整个机架的强度;然而结构宽度和厚度的增加也会增加重力加速度,这又陷入了一个悖论。为了解决这个问题,GE 的工程师从材料学和制造工艺上给出了完美的解答案。首先,Revolution CT应用了一种特殊的军用铝合金材料,这种材料强度高、重量轻。其次,机架的锻造使用了一体成型(unibody)技术,这大大减小了机架的体积。因此,Revolution CT可以承受135G的重力加速度,为未来实现更高旋转速度打下了坚实的基础架构(如图2)。

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  • 无碳刷、非接触式新型滑环设计

    传统的滑环通过碳刷/银刷和黄铜环的接触,将机架定子上的电力传输至转子,并驱动后者旋转,再将转子采集的数据传送回“定子”。该结构由于存在着碳刷/银刷和黄铜环的物理接触,会产生噪声,并在长期使用的情况下,产生磨损。Revolution CT采用了无碳刷、非接触式全新设计(如图3),通过无线供电技术给旋转部件供电,再通过无线电射频技术将高清数据从机架的旋转端传输到静态端。相比传统碳刷言,无碳刷滑环可取消碳粉灰尘堆积和碳刷磨损带来的损耗、提升了CT系统的整体稳定性和耐度。

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  • SSF 冠脉运动追踪冻结技术

    SSF 冠脉运动追踪冻结技术5,6通过高清采样得到心脏运动过程中的一系列图像,在频域对冠脉运动(路径和速度)进行分析和建模,有效地压缩重建时间窗,得到清晰的冠脉解剖图像(如图4)。SSF 使用的是一个心动周期内相邻期相的图像信息来描绘冠脉在一个心动周期内的运动特点,结合0.28s转速,可以将单扇区时间分辨率(X/Y轴)提高到29ms,保证了高心率的图像质量。

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三、智能心电门控技术Auto ECG-Gating


要保证在任何心率(律)条件下,在一个心动周期内完成对心脏的采样,还需要配备智能的心电门控装置。Revolution CT的智能心电门控系统 [1]可以智能识别心率和心律,匹配最佳的扫描和重建期相(如图5),保证了1-beat的成功率。

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快的极致:1-Beat 1-Stop 心脏成像[1, 7]


16厘米宽体宝石探测器、Whispe Drive、0.28s旋转速度、SSF技术、智能心电门控,所有这些硬件技术都为了保证快的极致,任意心率(律)的1-beat1-stop 心脏成像。


Revolution CT可以在任意心率/律的情况下,在一个心动周期内获得冠脉解剖、室壁运动、瓣膜运动、心功能、心肌灌注的信息,为心脏评估提供全方位的信息。(如图6)

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这就是Revolution CT带来的快的极致!

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【第三章】能量的极致


CT能量技术使得CT对宏观水平的结构性观察深入到微观水平的物质成分的定性识别和定量分析。在各种CT能量技术中,GE研发的CT能谱成像已经成为继平扫和增强之后的第三大常规CT成像方法,成为临床医学必不可少的诊断工具。CT能谱成像采用极速单源瞬时kVp切换技术,在极短时间内完成高低能量的曝光和切换,实现了双能量的三同(同时、同向、同源),这样双能量数据的分析就能够在投影数据空间(Projection Space)进行能谱物质解析,实现CT的能谱成像(图1)。在Revolution CT中,医生可以选择任何物质对作为基物质对,实现多物质能谱。对于一些特定的临床应用,更灵活的基物质对可以更直观、更精确的定量反映未知物的组织成分。


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1.能谱成像的硬件平台

实现能谱CT成像要求CT在数据采集过程中获得在投影数据空间可匹配的高低两组能量数据,意味着极速单源瞬时kVp切换技术要能够实现必须满足以下条件

三同的高、低能量数据采集,避免解剖结构的空间位移;

②稳定的高、低kVp电压的输出,保证信号的一致性;

③高、低能量信号之间要具有很好的区分度,不存在信号混淆;

④高、低能量的信息量要满足CT重建的需求。


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Revolution CT采用了极速能谱高低压瞬时切换系统,能量瞬切的性能相较于上一代能谱CT提高了近三倍,与宝石探测器的快速反应性能相匹配,实现了更为精准的多物质能谱成像。


2.能谱成像与双能量减影的区别

能量CT作为现代CT的核心技术,其发展分为“双能量减影”的初级阶段和“CT能谱成像”的高级阶段。从硬件实现方法上,双能量减影可以分为双源双能量减影、单源Twin Beam双能量减影和单源Rot/Rot双能量减影;CT能谱成像分为单源瞬切能谱成像和三明治探测器能谱成像。它们的实现方式和临床应用均存在差异。与能谱成像相比,双能量减影存在以下的一些问题:


2.1 能量信息利用的充分性

当选取某一个球管电压进行CT成像时,球管会产生具有连续能量分布的X线,探测器获取的数据包含了不同能量X线通过物体时的综合吸收信息。双能量减影是在图像空间进行,首先将每个像素的综合吸收信息转化为高低电压对应的两组图像,然后在该图像基础上进行后续减影和融合计算。需要特别注意的时在获得高低压两组图像的过程中大量的能量信息被平均掉了。因此双能量减影丢失了很多能量的信息,其临床应用也受到限制。

而在单源瞬切或三明治探测器能谱成像中,由于双能量数据信息具有一致性,在数据空间就能进行能量解析,保留了物质的能谱信息,从而实现更多的临床应用。


2.2 硬化伪影

硬化伪影是CT与身俱来的问题,减影图像是由低电压和高电压的图像组合而成,而低电压的图像往往带有较严重的硬化伪影,这样使得组合的减影图像也同样存在硬化伪影。

能谱成像为投影数据空间重建方法,首先将每条射线路径上的双能投影都分解成为与两个基物质材料性质相关、能量无关的分量,然后计算得到每个像素点上的相应的原子序数和电子密度积分值,从而实现对物质成分的识别与判断。这种方法能够有效地消除射束硬化对重建结果带来的影响。


2.3 冻结患者运动的能力

双能量减影和能谱成像的一个比较大的区别还在于冻结患者运动的能力。双能量减影只能在图像空间实现,能量时间分辨率低,容易受器官运动的影响。

而单源瞬切能谱成像和三明治探测器能谱成像,其两种能量的时间分辨率小于几个微秒,可完美冻结患者的运动,是目前临床上最常用的能量方法。


Revolution CT的能谱成像是建立在极速单源瞬切的硬件系统和坚实的理论基础上,并拥有宽体宝石探测器和多物质能谱解析功能(MMD),将带来更准确、更广泛、更灵活的能谱临床应用和研究工具。

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【第四章】低剂量的极致——ASiR-V低剂量重建技术

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作者:GE中国CT影像研究中心首席科学家 李剑颖博士


迭代重建算法已经成为现代CT降低辐射剂量的重要方法。


2008年,GE推出基于统计噪声模型的自适应统计迭代重建技术(Adaptive Statistical Iterative Reconstruction, ASiR)。ASiR重建技术通过建立统计噪声模型,并利用迭代的方法对噪声加以校正和抑制, 得到更清晰的图像。ASiR技术可以用很快的重建速度,显著降低重建图像的噪声,改善图像质量。与FBP算法相比,可以降低约50-60%的辐射剂量,达到清晰的图像质量。2011年,GE推出一项多模型迭代重建技术(Model-Based Iterative Reconstruction, MBIR,商品名VEO)。与ASiR不同的是,MBIR技术除了建立统计噪声模型之外,还建立了物理模型和系统光学模型,对体素、X射线光子初始位置和探测器几何因素等物理和光学因素进行建模,真实地还原了X射线从投射到采集的全过程。因为要对CT影像链的光学模型进行建模和运算,因此VEO是影像链特异性的,目前只和HDCT硬件平台匹配使用。相对于FBP,VEO可以降低90%的剂量,并提高空间分辨率。因为系统光学模型的运算量大,VEO的重建时间长。


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为了同时达到更好的剂量降低效果和更好的重建速度,Revolution CT采用了一种更为先进的迭代重建平台——ASiR-V(图2)。ASiR-V是全模型实时迭代平台,结合了ASiR的实时重建优势和VEO的多模型迭代优势,采用了更为先进的系统噪声模型、被扫描物体模型和物理模型。ASiR-V技术中先进的系统噪声模型所考虑的因素包括数据采集系统(DAS)中的光子噪声和电子噪声,以及重建图像的噪声谱,主要用于降低噪声,提高低密度对比度。被扫描物体和物理模型可以减少图像伪影。


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利用国际医学成像和技术协会和美国食品药品管理局所推荐的MITA-FDA CT IQ体模对ASiR-V的性能进行测试,结果显示对比FBP,ASiR-V可以降低多达82% 的辐射剂量。另一项实验显示,在相同的剂量条件下,与FBP相比,ASiR-V可以对低对比分辨率(LCD)提高135%。在临床实验中,ASiR-V同样可以显著地降低胸部图像和腹部的图像噪声(图3)。


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传统的迭代重建算法在降低噪声的时候,往往会导致图像空间分辨率的降低。ASiR-V由于在迭代过程中纳入了被扫描物体模型和物理模型,在降低剂量的同时可以保持空间分辨率不变;在相同的剂量条件下,与FBP相比,ASiR-V有提高空间分辨率的能力。图4所示一个踝部扫描的病例,在低剂量条件下ASiR-V将图像噪声抑制到与FBP相似的水平,同时明显提高皮质骨的空间分辨率。


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此外,当临床扫描的剂量降低到一定程度时,光子饥饿 (Photon Starvation) 现象会导致图像中的低信号伪影(如条状伪影),干扰临床重要信息的获取,影响诊断的精度。同样得益于被扫描物体模型和物理模型的纳入,ASiR-V 可以有效地抑制该伪影。图5所示的心脏扫描中,ASiR-V重建图像几乎完全去除了FBP重建图像中出现的低信号伪影。


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全模型实时迭代ASiR-V平台,不仅可以降低扫描和重建时产生的各种噪声,还可以提高组织的低密度对比度,提高空间分辨率,同时减少图像伪影。相对于FBP,ASiR-V可以降低多达82%的辐射剂量,同时保证了实时的重建速度——这就是Revolution CT低剂量的极致,她将带给CT扫描一个安全的保障!

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【第五章】高清的极致


Revolution CT全新的影像链的设计充分考虑到高清图像的要求,在16厘米的Z轴覆盖范围内实现了0.23mm的可视空间分辨率1,2,达到了高清的极致。


在Revolution CT的影像链中,有三个重要部件实现了高清的极致:高集成化数据采集系统、单灯丝动态变焦球管和16厘米宽体宝石探测器。


高集成化数据采集系统(图1),将传统的数据采集系统高度集成到一个芯片上,降低了电子噪声,实现了12000Hz(Views per second)的超高采样频率2。超高采样频率可以为图像重建提供更多的数据。对同一物体而言,采样的数据越多,越能够精确地确定其形状、空间位置和细节3(图2)。


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Revolution CT采用了Performix™ HDw球管(如图3)。该球管使用了单灯丝动态变焦技术,在成像的过程中,能够进行连续的焦点变换,在不增加X线输出的条件下,获得了更多的数据,提高了重建图像的空间分辨率。


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在决定图像空间分辨率中,探测器同样扮演着非常重要的角色。初始速度和余晖效应是评价探测器性能最重要的两个指标。这两个指标的性能均会对图像质量产生重要的影响。以余晖效应为例来看一下它对空间分辨率可能造成的影响。当X线光源关闭后,探测器的光输出并不会马上停止,仍然会有几毫秒甚至更长时间的光输出,这个光输出终止的延迟现象被定义为余晖效应。严重的余晖效应,会导致临近采样点之间的信息混淆,会增加图像的伪影,同时也会降低图像的空间分辨率。Revolution CT采用的16厘米宽体宝石探测器(Gemstone Clarity Detector)(如图4),初始响应速度达到0.03µs,比其他CT使用的稀土陶瓷材质探测器提高了100倍,余晖效应实现了0.001%@40ms,仅是稀土陶瓷材质探测器的1/4。宝石探测器优秀的初始速度和余晖效应性能成为HD高清成像重要硬件保证4。同时,16厘米宽体宝石探测器的等焦点排列和3D蜂巢后准直器可以消除锥形束和散射线的干扰,为高清成像提供了保障。


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高集成化数据采集系统、单灯丝动态变焦球管和16cm宽体宝石探测器共同构成了 Revolution CT 高清采样的“金三角”,共同决定了Revolution CT 的高速、准确地采样,为提高空间分辨率奠定了坚实的硬件基础(图5和图6)。


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这就是Revolution CT带来的高清的极致!

It's time for a Revolution

【第六章】舒适性的极致

Revolution CT的独特性还体现在为患者提供了舒适的CT检查体验。


患者对于CT检查的恐惧来源于对X线辐射的担心和对比剂不良反应;屏气或镇静产生的不适感;以及CT孔径产生的幽闭恐惧和CT机架高速旋转时噪音的影响。


Revolution CT提供了一个CT检查舒适性的全面解决方案。


一、双低成像

所谓双低成像就是同时达到低X 线辐射剂量和低对比剂用量,双低成像是CT 成像安全性的新要求1。Revolution CT 的16厘米宽体宝石探测器、70kV成像和 ASiR-V 实时迭代重建平台,使Revolution CT 的X线辐射剂量降低了82%,对比剂用量减少50% 2。这种强大的双低安全成像对于儿童、肾功能不全的患者尤其重要,可以减少对比剂肾病的发生率。

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二、无需屏气、无需镇静

16厘米宽体宝石探测器、0.28秒转速和29ms单扇区时间分辨率,使得被扫描者不用屏气就可以完成高清扫描。这对于儿童来说(图),意味着无需镇静4;对于COPD 、急诊胸痛、急诊外伤等其他无法长时间屏气的患者,不用屏气,就可以完成心脏成像或胸痛三联扫描4。这大幅度提高了扫描的成功率和耐受性。

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三、80厘米最大孔径和静音扫描

Revolution CT专门设计了80厘米的业界最大孔径,这减少了幽闭恐惧,并且适合大体型和急诊外伤患者检查4。另外,Whisper Drive的设计可以使Revolution CT在旋转的时候没有噪音,提高了扫描的舒适性5

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小结

突破传统的想像、独具匠心的设计、精益求精的制造工艺,Revolution CT搭建了极致硬件平台:宽的极致、快的极致、能量的极致、低剂量的极致、高清的极致、舒适性的极致。在极致硬件平台的基础上,Revolution CT也将开创临床应用和临床研究的极致境界。

作者:刘华阳、郭宁、谢强、郭宁 曹会志、梁军



参考文献:

1, White Paper: Revolution Cardiac CT:The Comprehensive Solution forCardiovascular Imaging. (2014). White Paper: Revolution Cardiac CT:TheComprehensive Solution for Cardiovascular Imaging, 1–15.

2, Husmann, L., Leschka, S., Desbiolles, L., Schepis, T., Gaemperli,O., Seifert, B., et al. (2007). Coronary Artery Motion and Cardiac Phases:Dependency on Heart Rate—Implications for CT Image Reconstruction 1. Radiology,245(2), 567–576.doi:10.1148/radiol.2451061791

3, White Paper: Revolution CT:Overcoming wide coverage IQ challenges.(2014). White Paper: Revolution CT:Overcoming wide coverage IQ challenges, 1–7.

4, White Paper: Revolution CT:Whisper Drive Gantry Design. (2014).White Paper: Revolution CT:Whisper Drive Gantry Design, 1–8.

5, Leipsic, J., Labounty, T. M., Hague, C. J., Mancini, G. B. J.,O'Brien, J. M., Wood, D. A., et al. (2012). Effect of a novel vendor-specificmotion-correction algorithm on image quality and diagnostic accuracy in personsundergoing coronary CT angiography without rate-control medications. Journal ofCardiovascular Computed Tomography, 6(3), 164–171.doi:10.1016/j.jcct.2012.04.004

6, Cardiac CT Advancement – Evolution of SnapShot* Freeze Technology.(2013). Cardiac CT Advancement – Evolution of SnapShot* Freeze Technology, 1–8.

7, Addressing the clinical and economic opportunity of challengingcardiac CT patients. (2014). Addressing the clinical and economic opportunityof challenging cardiac CT patients, 1–6.



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